荷載條件下原狀與重塑泥巖滲透性試驗研究

王炳忠，王起才,2，張戎令,2,3，薛彥瑾，崔曉寧，卓 彬

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

近年來，我國高速鐵路建設進入快速發展階段。高鐵線路網在全國范圍延伸，不可避免地經過地質條件不良地段，尤其是一些以膨脹泥巖為地基的高鐵工程引起了工程界高度關注。膨脹性泥巖是一類由強親水性黏土礦物，包括蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成的特殊軟巖，具有吸水膨脹、失水收縮并反復變形的性質，常使建筑物產生不均勻豎向或水平向脹縮變形[2-4]。膨脹泥巖的礦物成分和結構特征是其產生膨脹變形的內因，水分入滲是最主要誘發因素，土體在隔水狀態下不會發生膨脹變形[5]。土體的滲透性直接關系到水分入滲的速度和總量，關系膨脹土地基上拱變形速率及最大上拱量計算。因此，研究地基土滲透性對于膨脹土地基滲流、膨脹量計算和水環境評價具有重要的理論與工程實際意義。

在膨脹土滲透特性方面，大多數專家學者集中研究了膨脹土邊坡裂隙開展、干密度等對滲透性影響[6-8]，對于地基膨脹土滲透性，尤其是低黏土礦物含量膨脹泥巖的滲透性研究并不多見。主要是因為過去地基土主要關注發生沉降問題，膨脹上拱病害并不多見。蘭新二線運營后出現多處路基上拱病害，且隨著時間推移上拱量持續增長，這主要是由于其地基為低黏土礦物含量泥巖，設計規范判定為無膨脹性土，因而在設計中沒有受到足夠重視。而高鐵無砟軌道對上拱變形要求十分嚴格，從扣件可調整的角度來看，路基出現膨脹后，僅有4 mm的調整空間[9]，低黏土礦物含量膨脹泥巖浸水后引起膨脹變形將對高鐵無砟軌道運營安全及舒適性帶來嚴峻挑戰。從施工方面看，高速公路等工程建設中均存在開挖路塹等外部荷載變化情況，這將進一步引起地基滲流量變化。從地基土存在狀態看，不同應力歷史、不同深度地基土所受壓力大小不同引起的滲透性不同[10]。

有關荷載作用引起土體滲透性變化問題的研究，國內外已經開展了探索性研究。蔣中明等[11]使用滲透變形加載系統，研究了側限條件豎直應力大小對臨界水力梯度的影響；馮樹榮等[12]通過對比分析室內試驗、現場原位試驗、鉆孔高壓壓水試驗成果，得出應力狀態對含黏粗粒土滲透變形臨界水力梯度試驗取值有重大的影響；李兆峰等[13]通過室內模型試驗探究弱透水層水流運移規律，得出土層的應力歷史對土層的滲透系數影響不大；Tomlinson等[14]、Chang等[15]通過室內試驗研究了應力狀態對無黏性砂土滲透變形的影響；辛利偉等[16]開展了裂隙試件受軸壓、圍壓加載和卸載作用滲流試驗，結果表明裂隙面的法向應力是影響裂隙滲流的主要因素；何俊等[17]進行了不同溫度和圍壓下黏土滲透特性試驗，結果表明滲透系數隨溫度的升高而增大，隨圍壓的增大而減小。可見正確評價應力狀態對土體滲透性的影響十分重要，研究荷載對地基泥巖滲透性對上拱病害治理及預警具有重要現實意義。但目前對荷載條件下原狀土地基泥巖的滲透性研究并不多見，開挖路塹將引起地基原狀土卸荷，土體滲透性發生變化，打破原有平衡，地基進一步浸水引起膨脹，因此研究荷載條件下泥巖滲透性變得很有必要。而地基土原狀樣較致密，不易取樣和制樣，且加載滲透試驗裝置還處在開發階段，因此有必要探究原狀土和重塑土滲透性兩者之間差異和聯系。

本文依托蘭新二線高速鐵路，以沿線一典型膨脹地段微膨脹泥巖為研究對象，通過制作加載滲透儀，進行了荷載為0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa下原狀及重塑泥巖飽和滲透性試驗，探究荷載對土體滲透性的影響，并比較原狀樣與重塑樣滲透性差異，為高速鐵路地基土設計、上拱病害預警及治理提供理論支撐。

1 室內試驗

1.1 試驗原材料

試驗所用土樣取自蘭新二線沿線典型膨脹地段，取樣里程為DK1345+300 m，深度為10～15 m。鉆機取樣直徑為10 cm，鉆機取出土樣后，迅速用保鮮膜包裹并密封，防止水分蒸發產生裂隙。試驗前按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102-2010)測得土樣基本物理指標，如表1所示。

1.2 試驗方案及過程

目前測定土體滲透性的儀器主要有常水頭土壤滲透儀、變水頭土壤滲透儀、GDS三軸儀等，現有儀器在獲取各類土體滲透系數方面發揮了重要作用。如常水頭土壤滲透儀主要用于無荷砂類土滲透性測定；變水頭土壤滲透儀主要用于無荷黏質土滲透性測定；GDS三軸儀盡管可測定荷載下土體的滲透性，但試驗操作復雜、費時，成本高。

為探究豎向荷載對原狀土及重塑土滲透性的影響，研制了液壓千斤頂加載滲透儀，以實現不同上覆荷載下土體滲透性測定，如圖1所示。可加載滲透儀由滲透裝置、豎向加載裝置及供水裝置組成。考慮到現場鉆孔取樣直徑為10 cm，滲透儀直徑設計為8 cm，高4 cm。為保證進水時水分只通過土體滲透，在透水石周圍設置密封圈以防止滲透筒與下底板、上蓋板之間側向漏水。試驗開始后水從進水管首先進入水槽，然后通過透水石向土體滲透。

試驗分為原狀土和重塑土兩組。每組試驗制作5個試樣，分別為5個荷載等級：0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa。

試驗前挑選干密度(1.96 ～2.04 g/cm3)相近的5組原狀樣，采用切割機、打磨機、砂紙等加工試樣。考慮到原狀樣與滲透筒內壁有縫隙而不密貼，為防止試驗時縫隙滲水，放置試樣時使用石蠟密封試樣與筒內壁縫隙，加工試樣直徑比筒壁直徑小0.4 cm，即試樣尺寸為φ7.6 cm×4 cm，取相同里程土樣砸成重塑土，過0.5 mm篩子，通過分層擊實法制成重塑樣，干密度為1.65 g/cm3，試樣尺寸為φ8 cm×4 cm。

本試驗依據《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102 —2010)中變水頭法的相關規定進行。加載完成后首先飽和試樣，當看到上蓋有水滲出且漫過整個上部時認為試樣完全飽和，本試驗飽和時間為3～5 d。飽和后當看到上部無水泡冒出時開始滲透試驗，試驗時記錄好開始水頭高度、終了水頭高度、經過時間，同時測記水溫。

滲透試驗開始時首先將水頭設置為高出土樣2 m位置，在水頭下降的不同位置讀取3～4組數據，計算求平均值后作為第一次滲透系數結果；接著把水頭升至同一高度進行第二次、第三次試驗。本試驗進行中發現水頭下降很緩慢，24 h下降1～2 cm；為了排除讀數誤差，試驗時使得水頭下降值達到10 cm，滲透時間一般為5～7 d。

表1 土樣基本物理性質Table 1 Basic physical properties of the soil samples

圖2 制樣及試驗照片Fig.2 Sample preparation and photos of the test

2 結果與分析

試驗結束后整理數據并計算飽和滲透系數，根據《鐵路工程土工試驗規程》TB10102—2010中滲透系數公式計算，如下：

式中：k20——20℃時土樣滲透系數/(cm·s-1)；

kT——T℃時土樣滲透系數/(cm·s-1)；

a——變水頭管斷面積/cm2；

L——試樣高度/cm；

t1、t2——測讀水頭的起始和終止時間/s；

H1、H2——起始和終止水頭/cm；

ηT、η20——T ℃和20 ℃時水的動力黏度/(10-6kPa·s)。

本試驗飽和滲透系數均換算為20℃時的滲透系數。

2.1 荷載條件下原狀土滲透系數試驗

不同荷載作用下原狀土滲透試驗結果見表2。

表2 不同荷載下原狀土滲透試驗結果Table 2 Test results of soil permeability under different loads

由表2可以看出，第1次、 第2次、第3次滲透系數依次略微增大。試驗中發現隨著滲透時間的推移，在土樣上蓋頂有細小土顆粒被水帶出，即出水口水滴混合有微小土顆粒。當進行第2次、第3次試驗時經過滲透時間較長(第3次試驗一般在第10天后開始)，土樣內部滲流孔隙內的細小顆粒在水壓力作用下逐漸被水帶出，這樣便形成了更加暢通的聯通孔隙，因而同一土樣隨著試驗次數增加，滲透系數略微增大。

圖3 不同荷載下原狀土滲透系數曲線Fig.3 Coefficient of permeability of the original soil under different loads

取表2中每級荷載下平均滲透系數繪制滲透系數-壓力關系曲線，如圖3所示。由圖可知：隨著土體豎向荷載增大，滲透系數呈減小變化。滲透系數隨荷載變化曲線首先為外凸形減小，經過轉折點后緩慢減小。荷載為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa滲透系數分別為無荷時滲透系數的95%、80.1%、52.2%、44.3%，說明滲透系數減小幅度先增大后減小。由于原狀土密實度較高，達到2 g/cm3，且具有一定結構強度，通過荷載對土樣進一步壓密改變其孔隙比較困難，但由于其內部微裂隙發育，荷載作用可使這種微裂隙閉合。且由于土樣為膨脹性泥巖，施加荷載后土體未飽和時膨脹量沒有發生，土樣在側向約束和上覆荷載作用下進行飽和，在飽和過程中膨脹性礦物膨脹量會向土體孔隙釋放填堵滲水通道，土體滲透性降低。當對土樣施加0.1 MPa荷載后滲透系數僅減小了5%，說明土體受結構性影響，較低荷載作用時對裂隙作用不明顯，對滲透性影響不大；荷載增加至0.2 MPa時滲透系數減小了19.9%，荷載對滲透系數影響變大；當作用荷載為0.3 MPa時，滲透系數減小了47.8%，減小幅度最大，說明大部分微裂隙閉合，荷載對滲透性產生較大影響；荷載增加至0.4 MPa時滲透系數緩慢減小。

綜上可知，現場地基土埋深越深，所受上覆荷載越大，滲透系數越小。

2.2 荷載條件下重塑土滲透系數試驗

不同荷載作用下重塑土滲透試驗結果見表3。與表2對比可知，第1次、 第2次、第3次滲透系數依次略微增大，與原狀土具有相同的規律。試驗中隨著滲透時間的推移，在土樣上蓋頂有細小土顆粒被水帶出，出水口水滴混合有細小土顆粒。由于土樣為原狀樣砸碎后重塑形成，土體大顆粒周圍附著有細小顆粒，土樣滲流時孔隙內的細小顆粒在水壓力作用下逐漸被水帶出，形成了更加暢通的聯通孔隙，因而同一土樣隨著試驗次數增加，滲透系數略微增大。

表3 不同荷載下重塑土滲透試驗結果Table 3 Experimental results of the remolded soil permeability under different loads

圖4 不同荷載下重塑土滲透系數曲線Fig.4 Coefficient of permeability of the remolded soil under different loads

取表3中每級荷載下平均滲透系數繪制滲透系數-壓力關系曲線，如圖4所示。由圖可知：隨著土體豎向荷載增大，滲透系數呈減小變化。滲透系數隨荷載變化曲線首先為較大幅度減小，然后經過轉折點后緩慢減小。荷載為0.1，0.2，0.3，0.4 MPa滲透系數分別為無荷時滲透系數82%、65.4%、59.2%、54%，滲透系數減小幅度由大變小。本文重塑土壓實度為92%，荷載作用使得土體進一步壓密，改變其孔隙率，荷載通過改變重塑土孔隙比而引起滲透系數變化，且由于土體為膨脹性泥巖，在側向約束和上覆荷載作用下進行試樣飽和，飽和過程中浸水使得膨脹性礦物膨脹并向土體孔隙釋放填堵孔隙，土體滲透性降低。對土體施加0.1，0.2 MPa時滲透系數比無荷時減小了18%、34.6%，施加0.3，0.4 MPa時滲透系數比無荷時減小了40.8%、46%，0.2 MPa為滲透系數減小幅度變化的轉折點，說明施加較小荷載(<0.2 MPa)時土體孔隙率減小幅度較大，對滲透系數影響大，而在此基礎上再施加荷載對土體孔隙率改變幅度較小，對滲透系數影響變小。

綜上可知，對于實際工程中高填方路基而言，路基底層土體隨填方增大所受上覆荷載變大，滲透性變小。

2.3 荷載條件下原狀土與重塑土滲透系數比較

由圖5可知，荷載為0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa時重塑土滲透系數是原狀土滲透系數14.5，12.5，11.8，16.5，17.7倍，即重塑土滲透系數大于原狀土滲透系數，且相差一個數量級。這主要是由于原狀土是經過長期歷史沉積等因素形成，干密度達2 g/cm3，較為致密；而重塑夯實干密度為1.65 g/cm3，重塑土孔隙率大于原狀土孔隙率，兩者孔隙數量及大小不同。

圖5 不同荷載下原狀土與重塑土滲透系數比較Fig.5 Comparison of coefficient of permeability between the intact soil and remolded soil under different loads

由圖2～3及表2～3可以看出，隨著豎向荷載的增加，原狀土和重塑土滲透系數減小趨勢不同。總體上看，原狀土滲透系數呈“外凸形”減小，重塑土滲透系數呈“內凹形”減小。這可能是由于荷載引起兩者滲透系數減小的原因不同，荷載對原狀土作用主要以減小微裂縫為主；重塑土在荷載作用下進一步壓密，孔隙率減小。

由于原狀土取樣成本高、制樣及試驗要求高，可根據原狀樣與重塑樣之間孔隙率、孔隙分布形態等方面的差異，進一步探討兩者之間滲透性關系。

3 結論

(1)本文研制的可加載滲透儀可以對原狀土和重塑土進行不同荷載等級下的滲透性試驗，具有較好的實用性。

(2)原狀土滲透系數隨著荷載增大而變小，變化曲線呈“外凸形”變化規律，現場地基土隨著埋深增加，土體滲透系數變小。

(3)重塑土滲透系數隨著荷載增大而變小，變化曲線呈“內凹形”，對于高填方路基土而言，底層土滲透系數隨著上覆荷載增大而變小。

(4)通過對比原狀土和重塑土兩者滲透性，可知重塑土滲透系數比原狀土滲透系數大，且相差一個數量級。荷載引起原狀土、重塑土滲透性變化的原因不同：對較致密的原狀土荷載使其微裂縫閉合，而重塑土則在荷載作用下進一步壓密。